基于不确定性建模的海上落水人员漂移轨迹集合预报模型研究

The accuracy of Person-In-Water (PIW) drift trajectories prediction is a significant problem in China Maritime Search and Rescue. PIW drift trajectories are mainly affected by wind, wave and current; however, there is a problem of uncertainty exists in drift trajectories prediction. This problem is expected to be solved in the program through ensemble forecast to estimate the scope or distribution of the uncertainty. First, the drift modeling is established on the base of the PIW drift behavior. Numerical disturbances of uncertainty about initial condition and drift modeling are used as ensemble members. Then, with the experimental data of the United States Coast Guard and our research center, the deviation is analyzed to get the sensitivity, which is reflected by uncertainty from ensemble members' numerical experiment results. Through this method, an ensemble forecast model is deduced, which represents the uncertainty of initial condition and drift modeling with some dispersion. At last, the program will present a more accurate forecasting result with the filtering by the method of multiple regression, weighted correlation and Support Vector Machine. The program is aimed to lay a solid theoretical and technical foundation for solving the accuracy problem of PIW drift trajectories prediction.

海上落水人员漂移轨迹预报的准确性是我国海上搜救领域迫切需要解决的关键问题，落水人员漂移运动主要受风、浪、流等环境场的影响，但以风、浪、流为初始条件的海上落水人员漂移轨迹预报存在确定性预报中的不确定性问题。本课题提出集合预报思想来定量估计不确定性的范围或分布，首先依据海上落水人员在风、浪、流作用下的漂移特性进行漂移运动建模，以初始条件和漂移运动建模不确定性的数值扰动方案为集合样本，结合落水人员漂移海上现场实验和美国海岸警卫队的漂移实验数据，分析离差所反映的各集合样本数值试验结果对不确定性的敏感性，建立代表初始条件和漂移运动建模两个方面不确定性、具有一定离散度的集合预报模型。最后运用多元回归、相关加权和支持向量机等方法滤掉一些随机不可预报的噪音，获得较接近落水人员实际位置的预报结果，为解决海上落水人员漂移轨迹预报的准确性难题奠定理论和技术基础。

海上落水人员的漂移运动是在海面风、浪、流联合作用的结果，实际漂移过程是一个随时间推移和海洋环境变化而时刻变化的过程。本研究将风、浪、流对落水人员的动力作用分为水上身体部分和水下身体部分，水下身体部分主要受到流和浪的作用，海流是影响漂移的最主要因素，在不考虑风、浪等其他因素的情况下落水人员将随海流同步运动，因此海流引起的漂移速度即为海表面流速，海浪引起漂移运动部分主要由海浪诱导的惯性力和拖曳作用力产生。水上身体部分主要是由于风压作用引起的漂移运动，风压产生的漂移运动与海面10m 风速基本呈线性关系。在风、浪、流场数值模拟的基础上，考虑风、浪、流动力作用引起的海上落水人员漂移运动建模是海上落水人员漂移轨迹预报的理论基础。.本项目还开展了风、浪对船舶航线影响的研究工作，通过引入风区面积指数和纬向变化指数，运用Morlet小波分析研究其时频变化特征，从而描述风区范围的变化规律。北太平洋大洋航路风区范围的研究结果表明，相同纬度区内两个风级风区范围大小变化趋势基本一致，高纬度风区范围有逐年增大的趋势，低纬度相反。不同纬度相同风级的风区范围大小相关性很小，说明高、低纬度风区受不同天气系统影响，变化趋势存在一定的差异。风区范围南北边界变化趋势相似，高纬度风区南北边界均有向低纬度漂移的趋势，低纬度风区南北边界有向高纬度漂移的趋势。.船舶在大风浪中航行时，由于波浪的扰动作用船舶将产生纵摇、垂荡、横摇等各种运动，同时大风作用于船体及上层建筑也将产生较大的阻力，使得船舶航行阻力较在静水中有所增加，在主机功率不变情况下船舶航速要比静水中下降。航行时波浪和风产生的阻力增加是独立于船舶静水阻力的另一部分阻力。本研究在保障船舶航行安全的基础上，充分考虑了船舶在大风浪中的风增阻和波浪增阻及其引起的失速特征，得出了在台风动态移动过程中的船舶避台航时最短航线。通过仿真实现了船舶航行对风、浪的运动响应特性的描述，分析了风、浪对船舶航行的影响，并建立了大风浪作用下的船舶航线优化模型。